คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrate)

 คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrate)(มนตรี, 2542) เป็นสารชีวโมเลกุลที่สําคัญที่เป็นองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด คําว่าคาร์โบไฮเดรตมีรากศัพท์มาจากคําว่า คาร์บอน (carbon) และคําว่าไฮเดรต (hydrate) อิ่มตัวไปด้วยนํา ซึ่งรวมกันก็หมายถึงคาร์บอนที่ อิ่มตัวไปด้วยนํา เนื่องจากสูตรเคมีอย่างง่ายก็คือ (C•H2O)nซึ ง n≥3 หน่วยที เล็กทีสุดของคาร์โบไฮเดรตก็คือนําตาลโมเลกุลเดี ยวหรือเรียกว่าโมโนแซคคาร์ไรด์  คาร์โบไฮเดรตที พบทั วไปในชีวิตประจําวัน ได้แก่ นําตาล แป้ง เซลลูโลส และไกลโคเจน โดยส่วนใหญ่พบแป้งและเซลลูโลสในพืช ส่วนไกลโคเจนพบในเซลล์เนื่อเยื่อ นําไขข้อในสัตว์และผนังเซลล์ คาร์โบไฮเดรตเป็นสารประกอบประเภทแอลดีไฮด์ (aldehyde) หรือ คีโตน (ketone) ที่ มี

หมู่ไฮดรอกซีหลายหมู่ซึ งเราสามารถจําแนกคาร์โบไฮเดรตสามจําพวกใหญ่ๆ ตามจํานวนหน่วยของ
นําตาลได้ดังนี้
1. มอนอแซ็กคาไรด์ (Monosaccharide) 

หรือนําตาลโมเลกุลเดียว นําตาลโมเลกุลเดียวเป็นหน่วยนําตาลที เล็กที สุดประกอบด้วยคาร์บอน 3 ถึง 8 อะตอม จึงสามารถจําแนกนําตาลประเภทโมเลกุลเดียวตามจํานวนคาร์บอนที เป็นองค์ประกอบคือ

มอนอแซ็กคาไรด์ที พบมากในธรรมชาติส่วนใหญ่เป็นเพนโทสและเฮกโซส เพนโทสที พบ

มากได้แก่ ไรโบสและไรบูโรส และ เฮกโซสที มากได้แก่ กลูโคส ฟรักโทส และกาแลกโทสซึ่งมี
โครงสร้างดังนี้

 และหากจําแนกนําตาลเพนโทสและเฮกโซสตามหมู่ฟังก์ชันสามารถจําแนกได้สองกลุ่ม

ได้แก่ กลุ่มของนําตาลที มีหมู่อัลดีไฮด์จะเรียกนําตาลเหล่านี้ว่าอัลโดส (Aldose) เช่น ไรโบส กลูโคส กาแลกโทส แอลโทรส แอลโลส เป็นต้น และกลุ่มนําตาลที มีหมู่ฟังก์ชันเป็นคีโตนจะเรียกนําตาลกลุ่มนี้ว่าคีโตส (Ketose) ตัวอย่างเช่น นําตาลไรบูโรสนําตาลฟรักโทส นําตาลซอร์โบส เป็นต้น นําตาล
โมเลกุลเดี ยวเหล่านี0มักมีคาร์บอนที ไม่สมมาตร (Asymmetric carbon) กล่าวคือ พันธะทั0งสี ของ
อะตอมนี0จับกับหมู่ที ไม่เหมือนกัน ซึ งเมื อนํ0าตาลโมเลกุลเดี ยวมีคาร์บอนที ไม่สมมาตรมากกว่าหนึงอะตอมจะมีจํานวนไอโซเมอร์เพิ มขึ0น โดยจํานวนไอโซเมอร์สามารถคิดได้จาก 2n 
โดยที  n คือจํานวนคาร์บอนที ไม่สมมาตรในโมเลกุล และการกําหนดไอโซเมอร์หน้าชื อของนํ0าตาลว่าเป็น D- หรือ L- ให้ดูตําแหน่งของหมู่ OH บนคาร์บอนที ไม่สมมาตรที อยู่ห่างจากหมู่ฟังก์ชันคาร์บอนิลมากที สุด โดยที หาก OH อยู่ด้านขวามือ จะเป็น D-isomer (R configuration) แต่ถ้า OH อยู่ซ้ายมือจะ
เป็น L-isomer (S configuration) และถ้านํ0าตาลโมเลกุลเดี ยวมีหมู่ OH ที ต่ออยู่กับคาร์บอนที ไม่สมมาตรต่างกันเพียงตําแหน่งเดียวเรียกว่าเป็น epimer กันดังนั0น D-Glucose กับ D-Galactose จึง
เป็นคู่ epimer กัน และหากตําแหน่ง OH ต่างกันมากกว่าหนึ งตําแหน่ง เรียกว่าเป็นไอโซเมอร์ชนิด 
diastereomer หรือ diastereoisomer กัน เมื่อพิจารณาโครงสร้างของมอนอแซ็กคาไรด์ทั0ง 5 ชนิดที พบมากที สุด พบว่ามีสูตรทั่วไป RCOH และ RCOHCOR ซึ งจะมีสมบัติเป็นตัวรีดิวซ์และสามารถรีดิวซ์คอปเปอร์ (II) ไอออนในสารละลายเบเนดิกต์ เกิดเป็ นคอปเปอร์ (I) ออกไซด์ซึ งเป็ นตะกอนอิฐสีแดง ดังนั้น ไรโบส กลูโคส กาแลกโทส ไรบูโรสและฟรักโทสแบบโซ่เปิดซึ งมีหมู่ฟังก์ชันดังกล่าวจึงสามารถ
ทดสอบได้ด้วยสารละลายเบเนดิกต์ 



1.1 การเกิดวงในนําตาล

  ในธรรมชาติมอนอแซ็กคาไรด์ส่วนใหญ่มีโครงสร้างที เป็นวง เนื่องจากเป็นโครงสร้างที เสถียรกว่าโครงสร้างแบบโซ่เปิด โดยการสร้างโครงสร้างแบบวงเกิดจากการเกิดปฏิกิริยาระหว่าง -C=O กับ –OH ในโมเลกุลเดียวกัน แสดงดังภาพซึ่งการปิดวงของนําตาล DGlucose มีลักษณะคล้ายวง pyran จึงเรียกนําตาลที มีวงชนิดนี้ว่า Pyranose ส่วนนํ0าตาล Dfructose มีลักษณะวงคล้าย Furan จึงเรียกนํ0าตาลชนิดนี0ว่า Furanose  ในการเกิดวงทําให้นําตาลมีไอโซเมอร์เพิ่มอีกสองรูปคือ อัลฟา (α) และ เบต้า (β) 
ซึ งต่างกันที ตําแหน่ง OH และ H เมื อเกิดการปิดวง วง –OH อยู่ด้านล่างของวงจะเรียกว่าโครงสร้าง
แบบอัลฟา และ –OH อยู่ด้านบนเรียกเบต้า ซึ งเรียกไอโซเมอร์ชนิดนี0ว่าอะโนเมอร์ (anomer) และ
คาร์บอนตําแหน่งที เกิดจะเรียกว่า anomeric carbon การแสดงสูตรโครงสร้างนํ0าตาลสามารถแสดง
แบบ Fischer projection Haworth projection หรือ แบบ chair form ดังตัวอย่าง

2.2 ปฏิกิริยาของน้ำตาล

 1) Glycoside formation  
เมื อนํา D-glucose ละลายใน ethanol โดยมีแก๊ส HCl จะเกิด methyl acetals เกิดขึ0น โดย 
acetal ของ glucose เรียกว่า glucoside, acetal ของ mannose เรียกว่า mannosides, acetal ของ 
fructose เรียกว่า fructosides เป็นต้น 

2) Enolization, Tautomerization และ Isomerization

 เมื อนํา monosacharides ละลายในเบสจะเกิด enolization และ keto-enol tautomerization 
และนําไปสู่การเกิด isomerization ตัวอย่างเช่น ถ้านํา D-glucose ละลายใน calcium hydroxide 
ทิ0งไว้ประมาณ 2-3 วันจะเกิดผลิตภัณฑ์เป็น D-fructose และ D-mantose เกิดขึ้นในสารละลายด้วย 
เราเรียกปฏิกิริยาเหล่านี้ว่า Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein transformation 

3) การเกิดสารประกอบ ethers

ไฮดรอกซีที เกาะอยู่บนนําตาลสามารถเกิดสารประกอบอีเทอร์ได้โดยใช้ alkyl halide 

4) การเกิดสารประกอบ Ester

 สาหรับ monosaccharide เมื อทําปฏิกิริยากับ acetic anhydride ใน เบสอ่อน จะสามารถ
เกิดปฏิกิริยากับหมู่ –OH ในวงนําตาลเกิดเป็น ester 

5) Cyclic acetals

จากปฏิกิริยา 1,2-diol กับ ketone จะเกิดสารประกอบ cyclic acetal ได้  

6) ปฏิกิริยา Oxidation ของ Monosacharide

 รีเอเจนท์ที ใช้ในการระบุหมู่ฟังก์ชันโดยทั วไปจะใช้ปฏิกิริยา oxidation ช่วยในการระบุหมู่ฟังก์ชันที มีอยู่บนสายนําตาล ตัวอย่างปฏิกิริยา Oxidation ของนําตาลโมเลกุลเดียวได้แก่ 6A Benedict’s หรือ Tollens’ reagents: Reducing sugarTollens testหรือบางครั้งรู้จักในชื่อ Silver mirror test เป็นปฏิกิริยาที ใช้ทดสอบนําตาลที ทําหน้าที เป็นนําตาลรีดิวซ์ (reducing sugar) ซึ่งจะให้ผล positive กับนําตาล aldoses และ ketose สารละลาย Benedict เป็นสารละลายที ทําหน้าที ตรวจสอบนําตาลรีดิวซ์เช่นเดี ยวกับ Tollens ที สามารถทําสอบนําตาลรีดิวซ์ได้ ซึ่งนําตาลรีดิวซ์จะเปลี ยนสารละลาย Benedict จากสีนําเงินเป็นสีแดง โดยปฏิกิริยาที เกิดขึ้นเกิดจาก Cu2+ไปเป็น Cu+ 

7) ปฏิกิริยา Reduction ของ Monosacharide

 Aldose และ Ketose สามารถถูกรีดิวซ์โดย NaBH4 เกิดสารประกอบ alditols 

8) การสังเคราะห์และการสลายพันธะของนํ0าตาล Monosacharide

 8A) Kiliani-Fischer Synthesis  เป็นวิธีการเติมคาร์บอนลงในสายโซ่ของ monosaccharide  ตัวอย่างเช่นในการสังเคราะห์ D-Erythrose และ D-Threose จาก D-Glyceraldehyde วิธีการสังเคราะห์ขั0นแรกเติม HCN เกิดเป็น Epimeric cyanohydrin 2 epimer จากนั0นเติม Ba(OH)2ตามด้วย H3O+จะเกิดผลิตภัณฑ์เป็น 
Epimeric aldonic acids ต่อจากนั0นเติม Na-Hg/H2O ที  pH 3-5 ขั0นตอนโดยสรุปดังสมการ 

3.2.3โอลิโกแซ็กคาไรด์ (oligosaccharide)  โอลิโกแซ็กคาไรด์ (oligosaccharide) นําตาลจําพวกโอลิโกแซ็กคาไรด์ประกอบด้วยนําตาล
โมเลกุลเดี ยวประมาณ 2-15 หน่วยสร้างพันธะด้วยพันธะไกลโคซิดิก ที พบมากที สุดของนําตาลชนิด
นี้คือนําตาลไดแซ็กคาไรด์ ซึ งเกิดจากนําตาลโมเลกุลเดี ยวรวมตัวกัน 2 หน่วยต่อกัน ได้แก่ ซูโครส
เป็นนําตาลที ได้จากต้นอ้อย แล็กโตส นําตาลในนํานม เป็นต้น



คุณสมบัติของนํ0าตาลรีดิวซ์ของไดแซ็กคาไรด์จะยังคงมีอยู่ถ้าหากว่าหมู่ –OH ที ต่ออยู่กับ

anomeric carbon ของมอนอแซ็กคาไรด์ตัวหลังยังเป็นอิสระที จะทําให้วงแหวนเปิดออกได้ เช่น ใน
กรณีของแลคโตส มอลโตส ในขณะที นํ0าตาลซูโครสจะหมดคุณสมบัติในการเป็นนํ0าตาลรีดิวซ์ 
เนื องจาก anomeric carbon ของฟรักโทสไปเชื อมต่อกับหมู่ OH ที  anomeric carbon ของกลูโคส 

2. พอลิแซ็กคาไรด์ (polysaccharide)  พอลิแซ็กคาไรด์ (polysaccharide) เป็นคาร์โบไฮเดรตโมเลกุลใหญ่ที ประกอบด้วย มอนอแซ็กคาไรด์หลายๆ โมเลกุลเชื อมต่อกันพอลิแซ็กคาไรด์ที สําคัญต่อสิ งมีชีวิต ได้แก่ แป้ง เซลลูโลส และไกลโคเจน ถ้าเราแบ่งพอลิแซ็กคาไรด์ตามหน้าที สามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภทคือ พอลิแซ็กคาไรด์สะสมและพอลิแซ็กคาไรด์โครงสร้าง

  

2.1 พอลิแซ็กคาไรด์สะสม

ซึ่งทําหน้าที่ สะสมอาหาร ได้แก่ แป้งในพืชและไกลโคเจนในสัตว์

  1) แป้ง (starch) เป็นสารโมเลกุลใหญ่ที ประกอบด้วยพอลิแซ็กคาไรด์ 2 ชนิดด้วยกันคือ อะไมโลส ซึ่งเป็นพอลิแซ็กคาไรด์แบบโซ่ตรงและอะไมโลเพกตินซึ งเป็นพอลิแซ็กคาไรด์แบบโซ่กิ ง โดยทั วไปแป้งประกอบด้วยอะไมโลสประมาณร้อยละ 20 และอะไมโลเพกตินประมาณร้อยละ 80 พืชจะสะสมกลูโคสในรูปของแป้งซึ่งพบแป้งมากในข้าว มันฝรั่ง ถั่ว และธัญพืช 

2) ไกลโคเจน (Glycogen) เป็นพอลิแซ็กคาไรด์ซึ งพบได้ในตับและกล้ามเนื่อสัตว์

ไกลโคเจนมีสูตรโครงสร้างคล้ายอะไมโลเพกติน แต่มีกิ งมากกว่าและสายโมเลกุลสั้นกว่าละลายนํา
ได้น้อย เกิดจากกลูโคสที ได้จากการย่อยอาหารสร้างพันธะต่อกัน แหล่งที่พบไกลโคเจนคือ ในกล้ามเนื่อ ในตับ ไกลโคเจนมีความสําคัญต่อการรักษาระดับนําตาลในเลือดให้คงที่

  2.2 พอลิแซ็กคาไรด์โครงสร้าง

คือพอลิแซ็กคาไรด์ที ทําหน้าที เป็นโครงสร้างของพืชและสัตว์ ได้แก่ เซลลูโลสและไคติน 

1) เซลลูโลส (cellulose) ประกอบด้วยกลูโคสจํานวนมากเชื อมต่อกันเป็นพอลิเมอร์

เช่นเดียวกับอะไมโลส แต่ลักษณะการเชื อมต่อของกลูโคสต่างกัน

   2) ไคติน (chitin) พบมากในเปลือกนอกของสัตว์ที ไม่มีกระดูกสันหลัง หรือผิวที่ห่อหุ้มแมลง เช่นกระดองปู เปลือกกุ้ง ประกอบด้วยอะเซติลกลูโคซามีน (N-acetyl-D-glucosamine)  โดย chitin ประกอบด้วยหน่วยย่อยของ N-acetyl-D-glucosamine ที เชื อมพันธะด้วยพันธะ  β(1-->4) Glycosidic linkage

2.3 สมบัติและปฏิกิริยาของคาร์โบไฮเดรต  กลูโคส ซูโครสหรือนําตาลทราย แป้ง และเซลลูโลสล้วนเป็นสารประกอบคาร์โบไฮเดรต แต่

จะแตกต่างกันที ขนาดโมเลกุลและมวลโมเลกุล เมื่อนํา นําตาลทราย แป้งและเซลลูโลสไปต้มกับกรด
ซัลฟิวริกจะเกิดปฏิกิริยาไฮโดรลิซิส เกิดผลิตภัณฑ์เป็นมอนอแซ็กคาไรด์สามารถทําปฏิกิริยากับ
สารละลายเบเนดิกส์ได้ตะกอนสีแดงอิฐ ถ้าพิจาณาการละลายนํา พวกโมเลกุลขนาดใหญ่จะละลาย
นําได้น้อยแต่ถ้าเป็นพวกมอนอแซ็กคาไรด์ และ ไดแซ็กคาไรด์ซึ งเป็นโมเลกุลขนาดเล็กจะละลายนํา
ได้ดี